Projekt SOX w poszukiwaniu neutrin sterylnych i nowych oddziaływań

Transkrypt

1 Projekt SOX w poszukiwaniu neutrin sterylnych i nowych oddziaływań Marcin Misiaszek Instytut Fizyki UJ 28/03/2014 Seminarium IFD UW Warszawa

2 BOREXINO detektor i osiągnięcia Oscylacje neutrin czy wszystko pewne Projekt SOX nowe możliwości

3 Model Słońca weryfikacja teorii reakcji termojądrowych we wnętrzach gwiazd

4 BOREXINO czystość radiochemiczna nowym oknem na Wszechświat RadioIsotope Concentration or Flux Name Source Typical Required 14 C Intrinsic PC/PPO ~ ~ U Dust ~ g/g < g/g

5 LNGS BOREXINO jest zlokalizowane w podziemnym laboratorium Laboratori Nazionali del Gran Sasso L Aquila, około 120 km od Rzymu Osłona z 1400 m wapiennych skał (odpowiednik słupa 3800 m wody) GERDA LVD ICARUS BOREXINO OPERA DARKSIDE

6 BOREXINO schemat detektora Zbiornik wody: osłona i n wodny detektor Č 208 PMT w wodzie V = 2100 m 3 Stalowa sfera: 2212 PMT + koncentratory światła V =1350 m 3 Balony nylonowe: Wewnętrzny: 4.25 m Zewnętrzny: 5.50 m Scyntylator: 300 t PC+PPO nylonowym balonie o grubości 150 m Bardzo dobra osłona od zewnętrznego tła Wzrastająca czystość zewnętrznych warstw w kierunku środka detektora

7 Głowny cel: detekcja neutrin słonecznych ν + e - ν + e - w ciekłym scyntylatorze EKSPERYMENT BOREXINO Ultra-niskie tło radiopromieniotwórcze uzyskana przez selekcję materiałów, osłony oraz oczyszczanie Niska energia progowa, dobra rozdzielczość energetyczna i przestrzenna. Identyfikacja cząstek alfa, elektronów oraz pozytonów Ponadto: Geo-neutrina, poszukiwanie rzadkich rozpadów pp ± 1% Widmo neutrin słonecznych 7 Be ± 10.5 % pep ± 2% Widmo energetyczne elektronów odrzutu + tło

8 Eksperyment BOREXINO faza I 2008: First real time detection of 7 Be solar neutrinos by BOREXINO Phys. Lett. B Volume 658, Issue 4, 3 January 2008, Pages : Direct Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of BOREXINO Data Phys. Rev. Lett. 101, (2008) 2008: Search for solar axions emitted in the M1-transition of 7 Li* with BOREXINO CTF EPJ C Particles and Fields, Volume 54, Number 1 / March, : The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso NIM A, Volume 600, Issue 3, 11 March 2009, Pages : New experimental limits on the Pauli-forbidden transitions in C-12 nuclei obtained with 485 days BOREXINO Phys. Rev. C 81, (2010) 2010: Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the BOREXINO detector Phys. Rev. D 82, (2010) 2010: Observation of geo-neutrinos Physics Letters B, Volume 687, Issues 4-5, 19 April 2010, Pages : Study of solar and other unknown anti-neutrino fluxes with BOREXINO at LNGS Physics Letters B, Volume 696, Issue 3, 31 January 2011, Pages : Precision Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Interaction Rate in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 107, (2011) 2012: Absence of a day night asymmetry in the 7 Be solar neutrino rate in Borexino Phys. Lett. B (2012) : First evidence of pep solar neutrinos by direct detection in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 108, (2012) 2013: Measurement of geo-neutrinos from 1353 days of BOREXINO Phys. Lett. B 722 (2013)

9

10 Oscylacje neutrin na krótkim dystansie ( 1 m )

11 Czy występuje czwarte (lub piąte ) neutrino które nie sprzęga się z bozonem Z0 neutrino STERYLNE? Wprowadzenie dodatkowych parametrów Dm 2 możliwe tylko w przypadku założenia istnienia nowych rodzin leptonowych

12 SOX - Short distance Oscillations with BoreXino Nowy, innowacyjny eksperyment w celu badania fizyki niskoenergetycznych oscylacji neutrin oraz do poszukiwania niestandardowych oddziaływań przy użyciu pojedynczego (może więcej?) sztucznego źródła neutrin umieszczonego w pobliżu lub wewnątrz detektora BOREXINO Eksperyment ma wystarczającą czułość do badania oscylacji neutrin oraz antyneutrin elektronowych przy uwzględnieniu występowania czwartej rodziny leptonowej t.j. neutrin sterylnych Główne finansowanie zostało przyznane przez ERC Dodatkowe finansowane może być potrzebne do wykonania pełnego projektu Projekt do DOE jest w przygotowaniu, poszukiwane inne źródła finansowania w Europie (Niemcy, Francja, Włochy - INFN) Udział krakowskiej grupy możliwy dzięki środkom uzyskanym z NCN w konkursie SONATA BIS 3

13 Wiele propozycji z wykorzystaniem sztucznego źródła Pomysł wykonania detekcji neutrin lub antyneutrin ze sztucznego źródła w detektorze BOREXINO obecny od narodzenia jego projektu (1991) N.G. Basov, V. B. Rozanov, JETP 42 (1985) Borexino proposal, 1991 (Sr90) J.N.Bahcall,P.I.Krastev,E.Lisi, Phys.Lett.B348: ,1995 N.Ferrari,G.Fiorentini,B.Ricci, Phys. Lett B 387, 1996 (Cr51) I.R.Barabanov et al., Astrop. Phys. 8 (1997) Gallex coll. PL B 420 (1998) 114 Wykonane (Cr51) A.Ianni,D.Montanino, Astrop. Phys. 10, 1999 (Cr51 and Sr90) A.Ianni,D.Montanino,G.Scioscia, Eur. Phys. J C8, 1999 (Cr51 and Sr90) SAGE coll. PRC 59 (1999) 2246 Wykonane (Cr51 and Ar37) SAGE coll. PRC 73 (2006) C.Grieb,J.Link,R.S.Raghavan, Phys.Rev.D75:093006,2007 V.N.Gravrin et al., arxiv: nucl-ex: C.Giunti,M.Laveder, Phys.Rev.D82:113009,2010 C.Giunti,M.Laveder, arxiv: SOX Proposal European Research Council Feb APPROVED and FINANCED

14 PODSTAWOWE INFORMACJE W przypadku interpretacji anomalii reaktorowej jako przejawu mieszania z dodatkową rodziną neutrin sterylnych otrzymuje się: Δm ev 2 sin 2 ϑ Dla energii neutrin ~ 1 MeV, długość oscylacji jest rzędu kilku metrów Dużo większa niż geometryczna zdolność roz. BX : ~ 15 1 MeV Dużo mniejsza od średnicy zbiornika ze scyntylatorem: ~12 m Z tych dwóch faktów wynika możliwość obserwacji oscylacyjnego przebiegu funkcji Pee(x) i jej możliwej deformacji na poziomie dokładności około 1% Raju, PRD 75, (2007) Widoczna deformacja Pee Eksperyment będzie czuły na występowanie neutrin sterylnych jak również każdego innego zjawiska, które wpływa na przebieg Pee(x) Δm 2 = 0.6 ev 2 sin 2 (2ϑs) = 0.3

15 SOX - Podstawy pomiaru Dwie (niewykluczające się) opcje pomiaru źródło 51 Cr neutrina lokalizacja na zewnątrz 5-10 MCi Możliwość wykonania potwierdzona dla 5 MCi. Faza R&D dla 10 MCi. Pomiar możliwy do wykonania kiedykolwiek podczas II fazy pomiaru neutrin słonecznych ( ) 144 Ce źródło 144 Ce antyneutrina kci Pomiar mógłby być wykonany po zakończeniu programu neutrin słonecznych i przy dodatkowej modyfikacji detektora (we wnętrzu) Ce na zewnątrz też opcjonalnie możliwe Szybsza realizacja ν lub ν 51 Cr lub 144 Ce tunel

16 Właściwości fizyczne proponowanych źródeł Źródło Technika produkcji <τ> (dni) Typ rozpadu Energia [MeV] Masa [kg/mci] Ciepło [W/kCi] 51 Cr Aktywacja n 50 Cr w reaktorze jądrowym Φn cm -2 s EC γ 320 kev (10%) Ce Pr Cer Prazeodym Ekstrakcja chemiczna ze zużytego paliwa jądrowego 411 β- < ERC Starting Grants: Search for a fourth neutrino with a PBq anti-neutrino source (Thierry LASSERRE)

17 Źródło 51 Cr Gallex /12/2013 ~36 kg, 50 Cr wzbogaconego 38% 190 W/MCi od promieniowania γ 7 Sv/h (2.7 Sv/h pod. lot.) Ten materiał jest dostępny

18 Źródło 10 MCi dostarcza 1.9 kw energii termicznej Wymagane jest pasywne chłodzenie tak aby zewnętrzna temperatura nie przeszkadzała w operowaniu źródłem a wewnętrzna poniżej 720 C, czyli temperatury spiekania chromu Wstępne wyniki są pozytywne: Tzew = 44 C Tmax = 250 C (środek)

19 Na wczesnym etapie budowy wykonany został tunel

20 Oscylacje widoczne tylko po uwzględnieniu geometrii Czynnik objętościowy Strumień w funkcji czasu i odległości Ilość zarejestrowanych zdarzeń w funkcji czasu pomiaru i objętości:

21 Przewidywana czułość dla 10 MCi, pojedyncza aktywacja, źródło zewn. Przyjęte tło Borexino Anomalia reaktorowa i galowa

22 Widmo neutrin słonecznych + 51 Cr Oczekiwane widmo elektronów odrzutu w oddziaływaniu neutrin: słonecznych 7 Be (czerwona), ze źródła 51 Cr (czarna)

23 Kąt Weinberga Moment magnetyczny 10 MCi 5 MCi Reaktorowe (antyneutrina) μ < μb (90% CL) Test oddziaływań elektrosłabych daleko od bieguna Z 0 Borexino (słoneczne neutrina) μ < μb (90% CL)

24 Bardzo masywne źródło Osłona o masie ~ 4 t (W) Cylinder z Wolframu + płaszcz Cu w celu redukcji tła od pr. gamma Wolfram nie jest radiogenicznie czysty Źródło może wisieć lub być oparte od podstawy Usunięcie pojemników nylonowych Nowy tryger oraz elektronika

25 Radialny rozkład oscylacji: bezpośredni test przebiegu P ee (x)

26 Ze źródłem wewnętrznym oraz przy bardzo łatwej selekcji zdarzeń od antyneutrin (tło ich pomiaru ~ zero ) możliwa czułość pomiarowa jest jeszcze większa

27 SOX Plan naukowy Poszukiwanie neutrin sterylnych lub innych efektów wpływających na Pee Niskoenergetyczny pomiar kąta ϑw (~ 1 MeV) Pomiar momentu magnetycznego neutrina I faza eksperymentu BOREXINO zakończona Be pierwsza detekcja strumienia z dokładnością ~5% w 2011 pep pierwsza detekcja na poziomie 98% C.L. w 2012 B po raz pierwszy w ciekłym scyntylatorze w 2010 z Eth = 3 MeV Geo-neutrina obserwacja strumienia na poziomie 4σ w 2012 ERC Grants 2012/13: Short distance Oscillations with BoreXino (Advanced Grants) IT Search for a fourth neutrino with a PBq anti-neutrino source (St.G.) FR

28

29

30

31 LSND MiniBooNE C. Athanassopoulos et al., Phys. Rev. Lett. 75, 2650 (1995) A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE Collaboration) B. Phys. Rev. Lett. 110, (2013)